UNION P-N NO POLARIZADAGeneralidadesSe obtiene una unión cuando un monocristal semiconductor (Si, Ge, AsGa,...) se dopasuc...
1º) Ei en la zona de transición crea una diferencia de potencial, Vo, de contacto entre laszonas neutras, zona P y zona N,...
ha amplificado, está cuasi vacía de portadores y contiene una carga dipolar debida a lascargas de los iones de impurezas a...
En la Figura 3.3, el esquema de la muestra (rectángulo rojo-blanco-azul en la partesuperior) y el diagrama de bandas están...
final se aproximará allogaritmo de la densidad de portadores minoritarios en equilibrio ypermanece constante.La longitud p...
1. Desconectar todos los recuadros excepto los de arrastre y electrones. 2. Observar lospuntos azules que bajan por la bar...
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la corriente de difusión, como ya se ha mencionado. (Por supuesto, incluso conpolarizaciónnula los electrones fluyen desde...
La corriente de arrastre de electrones depende sólo de la concentración de electronesminoritarios en equilibrio del lado-p...
Cambiando el nivel de dopaje de Na, se observa lo que cambia la altura inicial de ladensidad de portadores minoritarios, l...
“Ayuda” aparecen en pantalla la definición de los parámetros. Primero se hace clic en elbotón “Inicio”. Después en los bot...
Para resumir el funcionamiento se utilizan las tablas de controles y variables. Loscontrolesaparecen en la tabla 3.5:LA LE...
En este applet se explica la ecuación corriente-tensión de un diodo ideal PN (tambiénllamada ecuación de Shockley). Se pod...
muy elevadas a poca diferencia de potencial que se aplique al diodo, mientras que enpolarización inversa, por muy alta que...
Puntos móviles: rojo = huecos, azul = electrones.Regiones coloreadas: rojo = tipo-p, azul = tipo-n.p(x=0) = concentración ...
Algunos electrones perdidos (portadores mayoritarios) son rápidamente repuestos através del contacto óhmico y el cable met...
También se dispone del             botón “Pausa” para poder detener momentáneamentelaanimación. Pero en este caso no se pu...
DIODO CONMUTA APPLETEl applet ilustrará la conmutación de un diodo en un circuito donde la polarización puedapasar (a volu...
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Union p electronica

  1. 1. UNION P-N NO POLARIZADAGeneralidadesSe obtiene una unión cuando un monocristal semiconductor (Si, Ge, AsGa,...) se dopasucesivamente con impurezas aceptoras y donadoras, de forma que se tengan dos zonasyuxtapuestas, P y N, de semiconductores extrínsecos tipo-p y tipo-n respectivamente.Entre ellas, en la interfase, aparece una tercera zona llamada de transición, de deplexión,de carga espacial o de vaciamiento, que es de pequeñísimo espesor, del orden delµm. Es en la zona de transición donde tienen lugar los procesos fundamentales, derectificación, absorción y emisión de luz, etc., que ocurren en las diversas clases dedispositivos de unión.Las zonas P y N son neutras, el número de huecos (o de electrones) móviles mayoritariosen la BV (o en la BC) es igual al número de aniones de impureza aceptora (o dona-2 dora)fijas en la red. Despreciando los minoritarios, a T = 300 K, las concentraciones deportadores mayoritarios, huecos en la zona P de valor pp y electrones en la zona N devalor son:pp≅Nann≅ NdEn la zona de transición confluye el flujo de electrones, mayoritarios en la zona N, quepor difusión se inyectan en la zona P y análogamente, los huecos de la zona P seinyectan en la zona N.La zona de transición prácticamente no contiene portadores, está vacía de electrones yhuecos de conducción, las cargas de los iones de impurezas no se compensan con lacarga opuesta de sus correspondientes portadores. Se forma una distribución dipolar decarga: negativa, de aniones aceptores, junto a la zona P y otra de carga positiva, decationes donadores, junto a la zona N.Por tanto, la zona de transición queda subdividida en dos subzonas con cargas negativay positiva respectivamente.Como consecuencia de esta distribución dipolar aparece un campo electrostático interno,Ei, dirigido de la zona N a la zona P, que genera tres efectos interrelacionados:
  2. 2. 1º) Ei en la zona de transición crea una diferencia de potencial, Vo, de contacto entre laszonas neutras, zona P y zona N, y con ello se establece una barrera energéticaequivalente al producto de la carga del portador por la diferencia de potencial, esto es,eVo, que se opone a los dos flujos de difusión de electrones y de huecos.2º) Los electrones y huecos minoritarios en las zonas P y N respectivamente, deconcentraciones np y pn, que no tienen posibilidad de difundirse y están en las cercanías,o dentro de la zona de transición, son arrastrados por Ei originando sendas corrientes dearrastre, Isn e Isp, de sentido opuesto a las corrientes de difusión Idn e Idp. Las corrientesinversas de saturación Isn e Isp, tienen una magnitud del µA, son cuasi independientes deVo y dependen de la temperatura que regula las concentraciones de minoritarios pn y np.3º) En el equilibrio térmico ambas corrientes, de difusión y arrastre, se compensan y danlugar a un equilibrio dinámico en el cual los niveles de Fermi, EFp y EFn, de una y otrazonas neutras, P y N, se igualan.Por simplicidad se ha supuesto un semiconductor en forma de barra, cuya área desección recta es A y con su eje según O . Esta restricción no resta generalidad a los resuX ltados, que coinciden con los obtenidos experimentalmente con otras geometrías.Insistamos que en la zona de transición V(x) varía y existe un campo E(x), mientras quelas zonas P y N del semiconductor, fuera de la zona de transición, son equipotenciales.Las zonas P y N se comportan como conductores óhmicos, cuyas conductividadesdependen de la concentración de impurezas, Na y Nd. En la zona de transición, tienelugar el salto de potencial, Vo, entre una y otra zona. En ésta se forma una doble capa decargas opuestas normales a O . Por todo ello, en esta zona de transición reside X n laspropiedades:a) de conducción no lineal, (rectificación de corriente, condensador de capacidad variable,regulador de tensión y como puerta lógica en un circuito digital), yb) de interacción fotónica, (fundamento para la construcción del diodo láser, el diodoemisor de luz o LED, el fotodetector y la célula solar).En la Figura 1 se muestra el paso del electrón de la zona p a la zona n. A continuación seforma la zona de transición ZT donde ya están los iones positivos en el lado n y negativosen el lado p. Las zonas P y N son neutras, la zona de transición, ZT, cuya anchura W se
  3. 3. ha amplificado, está cuasi vacía de portadores y contiene una carga dipolar debida a lascargas de los iones de impurezas aceptoras o donadoras. Estos iones están fijos en laestructura reticular del semiconductor cuya red no se deforma en el dopado. Esta cargadipolar origina el campo eléctrico E dirigido de n a p, mostradoHay que destacar que ninguno de los dos cristales por separado tiene carga eléctrica, yaque en cada cristal, el número de electrones y protones es el mismo, de lo que podemosdecir que los dos cristales, tanto el p como el n, son neutros. (Su carga neta es 0). Al unirambos cristales, se manifiesta una difusión de electrones del cristal n al p indicada por lacorriente Je. A medida que progresa el proceso de difusión, la zona de carga espacial vaincrementando su anchura profundizando en los cristales a ambos lados de la unión. Sinembargo, la acumulación de iones positivos en la zona n y de iones negativos en la zonap, crea un campo eléctrico (E) que actuará sobre los electrones libres de la zona n conuna determinada fuerza de desplazamiento, que se opondrá a la corriente de electrones yterminará deteniéndolos.Este campo eléctrico es equivalente a decir que aparece una diferencia de tensión entrelas zonas p y n. Esta diferencia de potencial (Vo) es de 0,7 V en el caso del silicio y 0,3 Vsi los cristales son de germanio.
  4. 4. En la Figura 3.3, el esquema de la muestra (rectángulo rojo-blanco-azul en la partesuperior) y el diagrama de bandas están dados para una polarización determinada que seajustará utilizando la barra de desplazamiento de la esquina superior izquierda. Eldiagrama de bandas muestra tanto los portadores mayoritarios como losminoritarios(electrones = rectángulo azul; huecos = rectángulo rojo). Las alturas de losrectángulos en las bandas de conducción/valencia en el lado n/p respectivamente sonproporcionales allogaritmo de la densidad de portadores mayoritarios. Las alturas de losrectángulos en las bandas de conducción/valencia en el lado p/n varían en función de laposición dentro de lamuestra. Justo en el borde de la zona de deplexión en el lado p (n),la altura de los rectángulos es igual a la altura del logaritmo de la densidad de portadoresmayoritarios por encima de la banda de conducción (valencia) en el lado n (p). Ladensidad de portadores va disminuyendo entonces conforme se adentra en la muestra, al
  5. 5. final se aproximará allogaritmo de la densidad de portadores minoritarios en equilibrio ypermanece constante.La longitud para la cual la densidad de portadores alcanza el valor constante es igual a lalongitud para la que existe corriente de recombinación. La variación de la densidad deportadores en este proceso se produce según un descenso de tipo exponencial conunparámetro denominado longitud de difusión. La longitud de difusión es la distanciamedia que recorre un portador minoritario antes de recombinarse con un portadormayoritario,típicamente es de unas pocas micras o milímetros.La escala vertical del diagrama de bandas de energía se utiliza tanto para energía comopara potencial y la intensidad del color del rectángulo azul en la banda de conducción ydel rectángulo rojo en la banda de valencia es proporcional al logaritmo de laconcentración de portadores a esa energía (escala vertical en el diagrama de bandas).La densidad de electrones en función de la energía, n(E), es proporcional al términoexp[-(E-Ec)/kT] en la banda de conducción, y la densidad de huecos p(E) es proporcionalaexp[(E-Ev)/kT] en la banda de valencia. Por lo tanto, ln[n(E)] disminuye linealmente con(E-Ec) en la banda de conducción, y ln[p(E)] lo hace con (Ev-E) en la banda de valencia.Por eso en el applet el nivel de color en la banda varía linealmente con la separación deenergía desde el borde de la banda, representando la variación de la densidad con laenergía, ln[n(E)] frente a E.El número de puntos azules (electrones) en E (es decir, coordenada-y), que se originandesde el rectángulo azul en la banda de conducción de la región neutra, es proporcional aln[n(E)]. En realidad, el número debería ser directamente proporcional a n(E).También se muestra el perfil de la densidad de carga especial y el campo eléctrico en lazona de flexión del diodo de unión-pn bajo la polarización aplicada.Para aprender a utilizar el programa se empieza utilizando los controles de la partesuperior. Con ellos el usuario puede familiarizarse con las cuatro componentes básicas decorriente, para lo cual se deben realizar las siguientes acciones:· Corriente de arrastre de electrones: ésta es parte de la corriente de saturacióninversa.
  6. 6. 1. Desconectar todos los recuadros excepto los de arrastre y electrones. 2. Observar lospuntos azules que bajan por la barrera de potencial, son loselectrones de arrastre.· Corriente de arrastre de huecos: es la otra parte de la corriente de saturacióninversa.1. Repetir lo mismo para arrastre y huecos,2. Observar los puntos rojos que suben la barrera de potencial, son los huecos dearrastre. Hay que hacer notar que en el diagrama de bandas de energía, la energía de loselectrones aumenta conforme se sube. Pero la de los huecos lo hace al bajar en la banda.Por consiguiente, ambas corrientes de arrastre (electrones y huecos) fluyen en ladirección de descenso de la energía.· Corriente de difusión de electrones: una vez inyectados (dentro de la región-p, roja), loselectrones se mueven por medio de la difusión (debido al gradiente de concentración en laregión-p.)1. Para difusión y electrones,2. observar los puntos azules que se mueven horizontalmente del lado-n al lado-p ,son los electrones inyectados.· Corriente de difusión de huecos: después de la inyección (dentro de la región-n neutra,azul), se mueven (hacia fuera de la unión) por difusión.1. Para difusión y huecos,2. Observar los puntos rojos que fluyen el la banda de valencia horizontalmente. Semueven del lado-p al lado-n.· Corriente de recombinación de electrones: cuando la condición de equilibriotérmico de un sistema físico es distribuida, existen procesos para devolver elsistema alequilibrio. En la unión pn, el mecanismo existente es la recombinación banda a bandadonde un par electrón-hueco se recombinan. Esta transición de un electrón desde labanda de conducción a la banda de valencia se hace posible por la emisión de un fotón omediante transferencia de energía a otro electrón o huecolibre. Estos electrones forman lacorriente de recombinación de electrones.
  7. 7. 1. Desconectar todos los recuadros excepto los de recombinación y electrones.2. Observar los puntos azules que fluyen desde la banda de conducción a la de valencia,verticalmente.3. Variar el nivel de dopaje de Na, observar qué cambios se producen respecto a la alturainicial de la densidad de portadores minoritarios, la longitud de difusión, y la longituddonde puede haber recombinación. Notar cómo disminuyen las dos últimas al aumentar elnivel de dopaje.· Corriente de recombinación de huecos es la otra parte de la corriente derecombinación.1. Desconectar todos los recuadros excepto los de recombinación y huecos.2. Observar los puntos rojos que fluyen desde la banda de valencia a la deconducción,verticalmente.3. Variar el nivel de dopaje de Nd, observar que cambios se producen respecto a la alturainicial de la densidad de portadores minoritarios, la longitud de difusión, y la longituddonde puede haber recombinación. Notar cómo disminuyen lalongitud de difusión y la dela zona donde puede existir recombinación alaumentar el nivel de dopaje.Haciendo clic en el botón de “Inicio” del panel de control inferior se anula la tensión depolarización aplicada, es decir tenemos 0 Voltios. En esta situación las magnitudessontales que:1. corriente de difusión de electrones = corriente de arrastre de electrones.2. corriente de difusión de huecos = corriente de arrastre de huecos.3. Con polarización nula, el número de electrones que se mueven desde el lado-p hasta ellado-n es exactamente igual al número moviéndose en sentido opuesto (es decir, desde ellado-n al lado-p). Esto también es válido para los huecos. Por lo tanto la corriente totalque atraviesa la unión es cero para polarización nula (como debería ser).Cuando se aplica un voltaje positivo en el lado-p respecto al lado-n (polarizacióndirecta), entonces más electrones en el lado-n están por encima de Ec del lado-p (esto es,el bord de la banda del otro lado de la unión) y estos electrones pueden atravesar la uniónsin oposición de la barrera de potencial. Estos electrones constituyen una de las partes de
  8. 8. la corriente de difusión, como ya se ha mencionado. (Por supuesto, incluso conpolarizaciónnula los electrones fluyen desde el lado-n al lado-p. Pero estos se cancelanpor el flujo de electrones en el sentido opuesto.) Esos electrones en el lado-n quepermanecen por debajo de Ec del lado opuesto no serán capaces de atravesar la unión yno contribuyen a ninguna corriente. Cuando se aplica una polarización inversa (es decir,lado-p polarizado negativamenterespecto al lado-n), el flujo de electrones desde el lado-nal lado-p disminuye y finalmente desaparece para una determinada tensión. Nota que,más allá de este valor de polarización inversa, la corriente es constante respecto a latensión inversa aplicada.Eso mismo es válido para la corriente de difusión de huecos bajo polarización directa oinversa.Por otra parte, debajo del diagrama de bandas del dispositivo se aprecia elesquema del diagrama de carga espacial. Se asume que tanto el lado-p como el lado-nestándopados uniformemente, con una aproximación de unión abrupta. Por lo tanto deladensidad de carga especial en la zona de deplexión es uniforme: En color verde semuestra la densidad de impurezas aceptoras ionizadas (cargadas negativamente) y ennaranja ladensidad de impurezas donadoras polarizadas (positiva). En rojo tenemos laregión-p neutra (el color rojo representa la presencia de huecos que compensan la cargade las impurezas aceptoras, siendo por tanto una región neutra), el azul representa laregiónneutra n (el azul representa la presencia de electrones móviles).Al no ser nula la densidad de carga especial en la región de deplexión tendremos uncampo eléctrico. En la gráfica de la densidad de carga se observa que el campo eléctricoapunta desde la zona de carga positiva directo a la negativa, esto implica que apunta a laizquierda (valor negativo). El valor absoluto máximo del campo eléctrico corresponde alpunto de la unión física (entre el lado-p y el lado-n).Podemos variar la tensión de polarización y los niveles de dopaje para examinar losnuevos perfiles de carga especial y campo eléctrico.Una vez familiarizados con el funcionamiento del applet se puede proceder a trabajardirectamente con él. Se puede seguir un guión de ejemplo para comprobarlascaracterísticas del programa. Para ello se inicia por desconectar la corriente de huecosy la de difusión. Sólo quedará la corriente de arrastre de electrones. Cambiar la tensión dealimentación con la barra de desplazamiento situada a la izquierda a tal efecto. Seobserva si permanece la corriente de arrastre de electrones constante.
  9. 9. La corriente de arrastre de electrones depende sólo de la concentración de electronesminoritarios en equilibrio del lado-p: npeq = ni2 / Na.Desconectar todas las componentes de corriente excepto la corriente de difusióndeelectrones. Hay que hacer clic en el botón “Inicio” para poner a cero la polarización. Alvariar la polarización se observan los cambios en el número de electrones inyectados.Para obtener unas útiles definiciones se pulsa el botón “Ayuda” que hay en el fondo delapplet. Bajo polarización directa, se puede obtener el número de electrones difundidoscomo sigue:Usando la barra de la izquierda que permite fijar el valor de tensión, ponemosunapolarización positiva, por ejemplo, 0.2 V.El número de electrones disponibles para ser inyectados, Nn, es:ln(Nn) = ln(Nd) - (q/kT) (V0-V) (3.33)Aquí Nd es el nivel de impurezas donadoras, y se multiplica por (q/kT) para pasar detensión a concentración en la escala vertical del applet. (Notar que esto es cierto bajociertas suposiciones.)Por tanto,Nn = Ndexp(-q(V0-V)/kT)Para cero Voltios, Nn = Nd exp(-qV0/kT). Esto debería ser igual a la concentración deelectrones minoritarios del lado-p (se puede comprobar esto en el applet al pinchar en elbotón “Inicio” y comparar ln(npeq) y ln(Nn). Es decir, npeq = Nd exp( -qV0/kT ).La corriente neta de electrones por lo tanto es proporcional a:Nn-np = Nd exp(-q(V0-V)/kT) - npeq = Nd exp(-qV0/kT) (qV/kT - 1) (3.35)Ahora se desconectan todas las componentes de corriente excepto la de recombinaciónde electrones. Hay que hacer clic en el botón “Inicio” para poner a cero la polarización. Alvariar la polarización se observan los cambios en el número de electrones recombinados.
  10. 10. Cambiando el nivel de dopaje de Na, se observa lo que cambia la altura inicial de ladensidad de portadores minoritarios, la longitud de difusión, y la longitud de laregióndonde puede haber recombinación. Hay que hacer notar que estas dos últimasdisminuyen conforme aumenta el nivel de dopaje. Con el botón de “Ayuda” nuevamentese pueden ver algunas definiciones. Hacer lo mismo con las corrientes de huecos.Al jugar con el valor de la tensión aplicada al diodo hay que destacar que el arrastre deportadores minoritarios se observa para todas las polarizaciones aplicadas, la corriente dedifusión se incrementa bajo polarización directa (tensión positiva), y la corrientederecombinación también bajo polarización directa solamente.Una vez analizado el completo funcionamiento del applet podemos pasar ahora aanalizaruna serie de cuestiones fundamentales en las que centrar la atención del alumno, y severá cómo mediante este applet, se puede derivar la relación corriente-tensión para undiodo de unión pn:1. Observar en qué dirección apunta el campo eléctrico en la región deplexión (zonablanca).2. Con polarización nula (pinchando el botón “Inicio”), se deberían ver los electrones(puntos azules) atravesando la unión. ¿Es la corriente de arrastre de electrones(desde p an) igual a la corriente de difusión de electrones (desde n a p) ? ¿Es cierto para los huecostambién? Se observa cómo los electrones arrastrados bajan labarrera de potencial,mientras que los electrones difundidos se muevenhorizontalmente. Notar el significadofísico de estos flujos de electronesaparentemente diferentes.3. Bajo polarización inversa (tensión negativa en el lado-p respecto al lado-n que está amasa), cambiando el nivel de dopaje del lado-p con el control del fondo se observa lacorriente de arrastre de electrones. Explicar cualitativamente (basándose en laobservación del applet) por qué la corriente de arrastre es constante,independientementede la tensión aplicada. ¿Qué controla la magnitud de lacorriente de arrastre deelectrones?4. Bajo polarización directa (lado-p más positivo que el lado-n), usando el botón
  11. 11. “Ayuda” aparecen en pantalla la definición de los parámetros. Primero se hace clic en elbotón “Inicio”. Después en los botones “Parámetros” y “Ayuda”. En lapantalla principalaparecen algunas definiciones:npeq = concentración de electrones minoritarios en equilibrio en el lado-p,Nn(0) = número total de electrones que pueden ser inyectados desde el lado-n al lado-ppara V = 0 Voltios.¿Es correcto Nn(0)=npeq? ¿Es esta igualdad una condición necesaria para elequilibrio?La cantidad de electrones difundidos es igual al número que puede ir al lado-p sin que selo impida la barrera de potencial. A partir del diagrama de bandas, se puede encontrar elnúmero de electrones inyectados, Nn, en términos del nivel deimpurezas donadoras, Nd,y el potencial, V0-V, donde V0 es el potencialtermodinámico de la unión y V es la tensiónaplicada (Eso es, obtener estaecuación: Nn(V) = Nd exp(-qV0/kT) exp(qV/kT) ).Mostrar que Nn(V) - Nn(0) = np(xp) - npeq = npeq [exp(qV/kT) - 1].La igualdad, Nn = np(xp)-npeq , se mantendrá solo cuando los electrones difundidos (oinyectados) desde el lado-n (x = xn) lleguen sin pérdidas al lado-p (x = xp).Hacer el mismorazonamiento para el número de huecos difundidos, Np.La condición de frontera para el número de electrones en el lado-p es np(xp) en el bordede la zona de carga espacial y npeq en el interior del volumen.Usando esta condición de frontera, resolver la ecuación de difusión estacionaria:Aquí, LnDn n = ×t = longitud de difusión de electrones en el lado-p, y tn = tiempo de vidade los electrones en el lado-p.La densidad de corriente de difusión resulta ser:Aquí Dn es el coeficiente de difusión de electrones en el lado-p. Encontrar lacorriente dedifusión de electrones en x = xp.I = I0(eqV/kT - 1). I0 es función de Dn, Ln, npeq, Dp, Lp, pneq.5. Basándose en los cuatro puntos anteriores, se entenderá la ecuación I-V para un diodoideal con el significado físico de cada término claramente identificado.
  12. 12. Para resumir el funcionamiento se utilizan las tablas de controles y variables. Loscontrolesaparecen en la tabla 3.5:LA LEY DE SHOCKLEY
  13. 13. En este applet se explica la ecuación corriente-tensión de un diodo ideal PN (tambiénllamada ecuación de Shockley). Se podrá investigar con la ecuación I=Io[exp(qV/kT)-1] altrabajar con el programa.Todas las componentes que componen la corriente total del diodo se muestran medianteuna animación visual interactiva. Puede verse que la corriente de arrastre esindependiente de la polarización aplicada. Para la corriente de inyección con polarizacióndirecta se puede observar su dependencia exponencial con la polarización directaaplicada. Conociendo la distribución del exceso de portadores minoritarios en cátodoresulta fácil conocer la corriente transportada por ellos puesto que es debidafundamentalmente a difusión. la corriente transportada por huecos disminuye según nosalejamos de la unión, de la misma forma que disminuye la concentración de huecos.Como la corriente total que atraviesa la unión debe ser constante, la disminución de Jp(x)significa que la corriente de huecos se convierte en corriente de electrones conforme nosalejamos de la unión y penetramos en cátodo.En el diagrama de corrientes que hay en la Figura 3.4 se puede observar que la corrientede electrones que entra por el contacto de cátodo se usa en parte para recombinar conlos huecos inyectados en cátodo y el resto para inyectar electrones en ánodo.Observando el diagrama se ve que entra una corriente I de electrones por un lado y por elotro sale una corriente I debida a huecos. Esto significa que en el diodo tiene lugar unatransformación por medio de la recombinación, de la corriente de huecos en corriente deelectrones y viceversa. Por ello, la corriente que atraviesa el diodo será igual al númerototal de portadores recombinados por unidad de tiempo en todo el diodo puesto que cadarecombinación requiere un electrón, que entra por cátodo y un hueco, que entra poránodo.Sin embargo en el modelo ideal la recombinación en la zona dipolar vale cero y resultamás cómodo determinar la corriente del diodo sumando las corrientes de electrones yhuecos en un punto en el que ambas sean conocidas simultáneamenteEsta es la célebre ecuación de Shockley que constituye la característica tensión-corrientedel diodo ideal.La Fórmula 3.45 da lugar a una corriente muy disimétrica, según se polarice el diododirecta o inversamente, pues en polarización directa se establecen enseguida corrientes
  14. 14. muy elevadas a poca diferencia de potencial que se aplique al diodo, mientras que enpolarización inversa, por muy alta que sea la tensión nunca se obtiene una corrientemayor que Jsat , que viene a ser del orden de 100 pA/cm2. Según esto el diodo se comporta casi como un cortocircuito en polarización directa ycasi como un circuito abierto en polarización inversa.El convenio que se ha utilizado en el programa es el siguiente:
  15. 15. Puntos móviles: rojo = huecos, azul = electrones.Regiones coloreadas: rojo = tipo-p, azul = tipo-n.p(x=0) = concentración de huecos en exceso en la frontera de deplexiónn(x=0) = concentración de electrones en exceso en la frontera de deplexiónLp = longitud de difusión de huecos.Ln = longitud de difusión de electrones.I = corriente totalIn(x) = corriente de electrones (curva azul)Ip(x) = corriente de huecos (curva roja)En este applet se puede observar el flujo de corriente en un diodo de unión-pn. Bajopolarización directa (lado-p es más positivo que el lado-n, o el lado-n más negativo que ellado-p), se inyectan huecos desde el lado-p (rojo), atravesando la región de deplexión(alrededor de la unión, región despoblada de portadores móviles) hasta el lado-n (azul).Los huecos inyectados dentro del lado-n son portadores minoritarios. Cerca de la fronterade la zona de deplexión, la concentración de huecos minoritarios está por encima de laconcentración en equilibrio térmico debido a esos huecos inyectados eléctricamente. En laregión neutra hay dos procesos activos para los huecos minoritarios inyectados:(1)difusión y (2) recombinación.(1) Difusión: Hay más huecos cerca de la frontera de deplexión que en el interior de laregión-n. Por lo tanto se produce una difusión térmica, resultando en un flujo netodehuecos (rojo) alejándose de esa frontera.(2) Recombinación: La concentración de huecos tenderá a recuperar su valor enequilibriotérmico, y entonces intentará librarse del exceso de huecos (p(x=0)). Este exceso dehuecos sufre una recombinación con los electrones que son los portadores mayoritariosque aniquilan los huecos y electrones formando pares (flujo vertical de puntos rojos).
  16. 16. Algunos electrones perdidos (portadores mayoritarios) son rápidamente repuestos através del contacto óhmico y el cable metálico del lado más lejano de la región tipo-n. Estemismo argumento se aplica a los electrones minoritarios inyectados.El diagrama de en medio puede ser visto como un diagrama de bandas, pero la banda através de la región de deplexión no se muestra aquí.Los procesos de difusión y recombinación conjuntamente producen un perfildeconcentración exponencial para los huecos minoritarios, como puede verse en el lasegunda gráfica (parte inferior derecha en rojo). Para una determinada polarizacióndirecta constante, el número de huecos inyectados a través de la unión por unidad detiempo iguala al número de huecos perdidos por recombinación, estableciéndoseentonces una situación estacionaria (es decir, constante en el tiempo).La componente de huecos de la corriente total se muestra en la curva en rojo de la tercerafigura. Desde la izquierda a la derecha, la corriente de huecos en la región tipo-p es unacorriente de arrastre (debida al pequeño campo eléctrico en la región neutra tipo-p, enrojo), corriente de arrastre en la región de deplexión (debida al campo eléctrico en suinterior), y corriente de difusión en el lado-n (azul) debido al gradiente de concentración.La concentración de huecos minoritarios en exceso llega a cero en un determinado punto.Los electrones (azul) son inyectados desde el lado-n (azul) a el lado-p (rojo)atravesandola unión (o región de deplexión, gris). Siguen el mismo proceso que loshuecos.Cuando el applet aparece por primera vez en la pantalla, comenzará automáticamente laanimación. En el panel de control superior tenemos una serie de botones que sirven paracontrolar esta animación.Si se quiere cambiar algún parámetro hay que pulsar el botón “Parar”, de este modo sedetiene la animación y se activan tanto los controles delpanel superior como los inferiores.En las casillas de verificación superiores se puede seleccionar los diagramas que sedeseen que aparezcan, así como los parámetros característicos dentro de los mismos.Una vezrealizada la selección hay que volver a activar la animación con el botón “Inicio”para poder observar los cambios realizados.
  17. 17. También se dispone del botón “Pausa” para poder detener momentáneamentelaanimación. Pero en este caso no se pueden modificar los parámetros. Hay quecontinuar la ejecución pinchando de nuevo en el mismo botón que habrá cambiado suetiqueta anterior y ahora reflejará “Continuar”.En el panel de control inferior hay cuatro listas desplegables. La primera de ellas es paracambiar la polarización, donde podremos seleccionar tanto valores positivoscomonegativos. De este modo se puede estudiar el comportamiento del dispositivoconpolarización directa e inversa. En segundo lugar tenemos el control de temperaturasque servirá para observar los cambios relativos respecto a variaciones de 5º en torno a latemperatura ambiente que se utiliza por defecto. Los dos últimos controles son de sobraconocidos ya que no es la primera vez que aparecen en el tutorial.Obviamenteseleccionarán el nivel de las impurezas aceptoras y donadoras en ánodo ycátodorespectivamente.Todos los controles aparecen resumidos en la tabla 3.7:|Este applet java es un simulador de circuitos electrónicos. Cuando se inicia el
  18. 18. DIODO CONMUTA APPLETEl applet ilustrará la conmutación de un diodo en un circuito donde la polarización puedapasar (a voluntad del usuario) desde directa a disrupción pasando por corte. Serepresentará la evolución en el tiempo de la corriente, la tensión en el diodo y la carga enlas zonas neutras así como la anchura de la zona bipolar.PRESENTADO POR: CARLOS GOMEZ SALAZAR

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